1936年10月，紅四方面軍主力2.18萬人奉中央軍委命令西渡黃河，后正式命名為“西路軍”，肩負“打通遠方”獲取蘇聯(lián)援助的戰(zhàn)略任務(wù) 。這支軍隊由紅5軍、紅9軍、紅30軍及總部直屬部隊組成，其中紅5軍多為川陜蘇區(qū)補充的新兵，戰(zhàn)斗力較弱。

紅9軍、紅30軍雖為四方面軍主力，但經(jīng)過長征消耗，兵力與裝備已嚴重不足。此時的河西走廊，馬步芳、馬步青的馬家軍騎兵約7萬人已完成部署，依托騎兵機動性強、熟悉地形的優(yōu)勢，對西路軍形成合圍之勢。

11月11日，中央軍委致電西路軍，同意其“獨立行動”，但未明確補給與援軍計劃。西路軍隨即向古浪、永昌、山丹一線推進，首場大規(guī)模戰(zhàn)斗在古浪爆發(fā)。紅9軍在古浪城與馬家軍激戰(zhàn)三晝夜，雖殲敵2000余人，但自身傷亡2400余人，軍參謀長陳伯稚、25師師長王海清等指揮員陣亡，部隊戰(zhàn)斗力遭受重創(chuàng) 。

1937年1月1日，紅5軍軍長董振堂率領(lǐng)3000余名官兵攻占高臺縣城。馬家軍迅速調(diào)集4萬余人包圍高臺，采取“圍而不攻、斷水斷糧”的戰(zhàn)術(shù)。西路軍總部曾命令紅9軍、紅30軍馳援，但因馬家軍騎兵沿途襲擾，援軍受阻于沙和堡一帶。1月20日，馬家軍發(fā)起總攻，紅5軍官兵在缺乏彈藥的情況下，用大刀、石頭與敵人展開巷戰(zhàn)。

根據(jù)史料記載，高臺之戰(zhàn)中，紅5軍全軍覆沒，軍長董振堂、政治部主任楊克明等2000余名官兵陣亡，剩余800余人被俘 。被俘人員中，部分士兵因不堪馬家軍的虐待，在押解途中試圖逃脫，多數(shù)被當場射殺。另有少數(shù)人被迫加入馬家軍，成為歷史記載中的“叛變”案例，但此類情況僅占被俘人數(shù)的5%以下。

高臺慘敗后，西路軍總部率剩余兵力退守倪家營子，此時全軍人數(shù)已不足萬人。1937年1月28日至2月27日，西路軍在倪家營子與馬家軍展開歷時40天的血戰(zhàn)，日均傷亡超過200人。期間，中央軍委曾多次致電西路軍，要求“堅持黨和紅軍的光榮旗幟，奮斗到最后一個人”，但并未派遣實質(zhì)性援軍 。2月21日，西路軍曾組織一次突圍，但因缺乏補給被迫返回，此次突圍中，約300余名官兵因與大部隊失去聯(lián)系而流落民間。

1937年3月13日，西路軍剩余3000余人從倪家營子突圍，向祁連山深處轉(zhuǎn)移。軍政委員會主席陳昌浩在石窩山召開緊急會議，宣布徐向前、陳昌浩離隊返回陜北匯報，剩余部隊編為三個支隊分散游擊：紅30軍余部組成左支隊，由李先念、程世才率領(lǐng)；紅9軍余部組成右支隊，由王樹聲率領(lǐng)；總部直屬部隊組成中路支隊，由畢占云率領(lǐng) 。

此次分兵西路軍人員主要有三種不同的去向。

第一種是“有組織突圍”。左支隊沿祁連山向新疆方向轉(zhuǎn)移，途中遭遇嚴寒、饑餓與馬家軍追剿，兵力從1000余人銳減至400余人，于1937年4月29日抵達星星峽，被盛世才部隊接應(yīng)收容 。這支隊伍是西路軍唯一保存完整的建制，無任何叛逃記錄，后續(xù)成為八路軍駐新疆辦事處的骨干力量。

第二種是“分散失散”。右支隊與中路支隊在祁連山游擊過程中，因馬家軍的圍追堵截而潰散。王樹聲率領(lǐng)的右支隊在康隆寺戰(zhàn)斗后僅剩200余人，被迫化整為零，多數(shù)官兵流落至張掖、武威等地，隱姓埋名生活。根據(jù)1950年代甘肅省民政廳的調(diào)查數(shù)據(jù)，僅張掖地區(qū)就有1200余名西路軍失散人員登記在冊。

第三種是“被俘與變節(jié)”。根據(jù)黨史資料記載，西路軍被俘人員共計5600余人，其中大部分被關(guān)押在青海西寧、甘肅武威等地的集中營，遭受殘酷虐待 。少數(shù)被俘官兵在馬家軍的威逼利誘下選擇變節(jié)，加入馬家軍騎兵部隊，參與對紅軍的追剿，但此類人員數(shù)量有限，且多為基層士兵，無高級指揮員變節(jié)案例。

1937年抗日戰(zhàn)爭爆發(fā)后，國共兩黨達成合作，部分被俘西路軍官兵經(jīng)八路軍駐蘭州辦事處營救返回延安，其中包括后來成為開國上將的秦基偉。